Структура пзс-матрицы
ПЗС-матрица - это двумерная матрица, состоящая из большого числа (смотри таблицу 1) кремниевых детекторов света, называемых пикселями. Каждый пиксель работает как копилка для электронов, возникающих в нем под действием фотонов,
пришедших от источника света. Во время экспозиции, длительность которой регулируется при помощи затвора объектива, каждый пиксель постепенно
заполняется электронами пропорционально количеству попавшего на него света.
Идея работы ПЗС-матрицы иллюстрируется Рис. 5.
Рис. 5. Структура ПЗС-матрицы
По окончании экспозиции кадра столбцы с накопленными в пикселях электронами сдвигаются в регистры вертикального переноса. Через них заряды попадают в ячейки горизонтального регистра сдвига и сдвигаются уже в перпендикулярном направлении. Таким образом, для каждого момента времени, соответствующего одному такту сдвига в вертикальном и горизонтальном направлении мы можем получить значение накопленного заряда пропорционального степени освещенности соответствующей точки на изображении I (xi,yj).
Формирование цветного изображения
Светочувствительные ячейки ПЗС-матрицы - это устройства, определяющие лишь интенсивность света, падающего на ячейку: чем больше фотонов попало, тем выше
яркость и наоборот. То есть, ПЗС-матрица формирует только черно-белое изображение. Как же получить дискретное цветное изображение?
Существует несколько методов, все они основаны на различных способах
разложения полноцветного изображения на несколько изображений основных цветов. Наибольшую популярность получили методы с интерполяцией цвета.
В их основе лежит следующий принцип: каждая точка светочувствительной матрицы благодаря светофильтру фиксирует яркость только одного из основных цветов
(например – R, G и B). А полноцветное изображение получается путем
суммирования изображений этих основных цветов.
Для того чтобы каждому пикселю соответствовал свой основной цвет, над ним помещается фильтр соответствующего цвета. Фотоны, прежде чем попасть на пиксель, сначала проходят через фильтр, который пропускает только волны своего цвета. Волны другой длины (другого цвета) будет просто поглощаться фильтром -
Рис. 6.
Рис. 6. Разложение полноцветного изображения на три основных цвета
Для каждого применения разрабатываются свои массивы цветных фильтров. Но наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера. Эта технология была изобретена в 70-х годах, когда проводились исследования в области пространственного разделения. В этой системе фильтры расположены вперемежку, в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза
больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие
фильтры расположены между зелеными - Рис. 7.
Рис. 7 Схема Байера
Такое количественное соотношение объясняется строением человеческого глаза -
он более чувствителен к зеленому свету. А шахматный порядок обеспечивает одинаковые по цвету изображения независимо от того, как вы держите камеру
(вертикально или горизонтально). Совмещение всех трех сигналов в один полноцветный происходит в процессоре, уже после того, как сигнал преобразован из аналогового вида в цифровой.
Интерполяция цвета производится примерно по следующей схеме. Имеется синий пиксель B, окружённый четырьмя зелёными и четырьмя красными. Определяется среднее значение между всеми четырьмя зелеными пикселями, окружающими текущий синий, это текущее значение G. Точно так же делается с красными пикселями, окружающими текущий синий пиксель – это будет R. В результате получается полноцветный RGB пиксель.